单音干扰对训练序列同步的干扰效能仿真

陈晓杰　杨铁新　张诺诺　董旭明

[摘要]无线局域网协议IEEE 802.11a是一种广泛使用的数字通信协议，其不仅在民用领域有广泛的应用，且在军事通信领域也发挥着重要作用。因此从军事电子对抗的角度出发，研究如何对其通信进行干扰，对于国家信息安全与国防安全有着重要意义。本文重点针对无线局域网协议IEEE 802.11a的训练同步开展研究，通过建立IEEE 802.11a的通信过程仿真模型，特别是针对训练序列同步的特点，专门设计了接收状态机，对单音干扰作用下的训练序列同步过程的影响进行分析，从而得出以特定频率（T=2D）单音干扰压制IEEE 802.11a通信，所需干信比（JSR）仅为-3dB的结论。此结果较其它干扰方式压制IEEE 802.11a通信所需JSR少10-11dB左右。

[关键词]电子对抗 通信干扰 单音信号 训练序列同步 Matlab仿真 无线局域网协议 干信比 状态机

一、引言

由于IEEE 802.11a的广泛应用，因此从国家信息安全和军事国防的高度来看，很有必要从电子对抗的角度去考虑如何对IEEE 802.11a通信进行干扰的问题。目前，人们对IEEE 802.1 1a的研究大多集中于其通信机理本身，少数从通信对抗角度进行研究的学者，也是主要针对于干扰信号对通信过程建立后的过程进行讨论。

然而经过研究发现，IEEE 802.11a的通信信号与其它很多数字通信体制一样，在通信过程建立之前，需要同步过程来协调各种参数指标，因而其同步过程也受各种干扰因素的影响，当干扰因素强度超过一定界限后，同步过程受到影响，从而使通信无法建立。而针对数字通信的同步进行干扰，其干扰效能往往要比干扰信号本身更为简便。因此本文的研究重点正是通过研究干扰信号对IEEE 802.11a的同步过程影响，来评估干扰对其通信的影响。

二、理论分析

2.1定时粗同步原理

定时粗同步是PLCP到达接收机后第一步操作。接收机同步通过两个宽度与短序列重复周期相同的判别窗，对接收到的短训练序列数据进行采集，而后进行三步操作：

首先，两个判别窗采集到的数据进行如式（1）的相关运算；（1）第二步，第二个判别窗中数据再进行一次自相关运算；（2）

最后，再由这两个数据进行比例运算，从而得到定时粗同步的判别电平。（3）

当判决电平为高电平时，接收机判定信号到达，并记录检测到高电平的位置；反之当判决电平为低电平时，则接收机判断信号没有到达，因而接收机并不进行后续的操作。

2.2干扰对同步的影响分析

当干扰信号与数据信号叠加后，干扰信号势必影响判决电平的数值大小，从而影响接收机对信号到达与否的判别。

设单音干扰影响下的接收信号为：

R_M（n）=R_B（n）+A'J（n） （4）

基带信号的离散形式为R_B（n），干扰信号离散形式为，（n），A'为干扰信号的幅度系数。

从单音信号的自相关函数中可以得知，当延时τ=nT（n=0，1，2，3……）时，自相关函数为正最大值；当延时T=（n+0.5）T（n=0，1，2，3……）时，自相关函数为负最大值。

将此条件纳入式（1）与式（2）中分析，即可得到推论：当单音信号的周期T=D/（n+0.5）时，C_n为负最大值，而式P_n由于τ=0，因而为正最大值。在这种情况下C_n与P_n在整体上的数值差异最大，从而使最终的结果最小化。

当短序列重复周期D=16、单音信号周期T=16/5.5时，M_n的数值非常小且稳定，因此当周期T=D/（n+0.5）的单音干扰信号随短序列进入接收机时，很容易产生误判，从而造成对后续OFDM通信活动的阻隔和压制。

三、仿真程序介绍

本文的仿真程序除包含IEEE 802.11a协议所设计的从发射到接收过程中的一系列操作外，还重点针对训练序列同步的特点，对接收存储器和接收状态机进行仿真，以使仿真程序从同步成功与同步失败两个方面，反映干扰信号对IEEE802.11a训练序列同步过程的影响效能。

为了模拟干扰对整个IEEE 802.11a通信活动的影响，本文编写了相关仿真程序，整个仿真程序从结构上分为三个部分：发射机部分、信道与干扰信号产生部分与接收机部分。发射机部分的主要功能，是产生一串随机数据用以模拟要发送的有用数据，然后经过信道卷积、信道交织、QPSK调制、加入训练训练、插入导频、降PAPR转换、IFFY运算、插入循环前缀、滤波、数字上变频等一系列操作后，最终形成射频信号发送到信道部分。信道与干扰信号产生部分的功能有两方面，一是模拟信道中自然存在的高斯白噪声，二是产生干扰信号，并用过信号功率计算，得到需要的干扰信号功率比（JSR）。最终形成由信号、高斯白噪声与干扰信号三部分组成的混合信号。接收机部分结构相对比较复杂，进入接收机的混合信号先经过数字下变频与滤波器后，进入接收机的数据存储器，接收机的同步，就从存储器中调用数据。经过定时同步与频率同步后，进行FFT运算，而后经过降PAPR逆变换、相位补偿、QPSK解调、解交织、解编码等与发射机部分相对应的逆操作后，得到还原后的数据信息。

四、程序仿真与结果

本文在仿真程序中，将短序列重复周期设为16，因此为了验证之前的理论分析，应当设置一个周期T=16/（n+0.5）的基带单音干扰信号。然而，由于仿真程序接收机部分设计有低通滤波器，因此为避免信号经过滤波器时产生功率损失，本文在仿真时将n设置为0，即单音周期T=32，此干扰信号经过滤波、上变频后，在空间中与信号叠加，单音干扰与短序列信号叠加后的信号进入接收机进行解调，最终产生的误码率如下图1所示：

由仿真结果可以看到单音周期T=32时的干扰效果。当干扰信号功率比（JSR）为-3dB时，接收误码率就达到0.1，而同步失败率达到0.3左右。而使用噪声调幅干扰方式进行仿真，要达到同等误码率水平，则JSR需要达到7-8dB左右。

五、结论

本文通过对IEEE 802.11a通信同步原理进行研究，分析特定频率单音干扰方式对IEEE 802.11a训练序列同步的干扰效能，最终通过仿真程序模拟，发现特定频率（T=D/（n+0.5））单音干扰对于IEEE 802.11a训练序列同步的干扰效率是一种比较有效的干扰方式，采用这种干扰方式时，当JSR达到-4dB时，就可以有效干扰IEEE 802.11a的通信，比其它干扰方式（如AM噪声调制、FM噪声调制等）达到同等干扰效果所需的JSR少10-11dB左右。

特定单音信号干扰具有硬件结构简单、工程实现简便、所需功率小等特点，因而在工程应用方面，实现手段较为灵活，成本较低。因此，本文的研究结论，对于国防与信息安全的工程实践，具有一定的参考价值。